基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要本文主要介紹了基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之前，搜集和閱讀了大量的有關(guān)恒壓供水系統(tǒng)的資料，對(duì)系統(tǒng)有了一定的了解。設(shè)計(jì)中，先是介紹了恒壓供水系統(tǒng)的目的，并通過(guò)供水系統(tǒng)中的各種特性曲線，看出供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，又進(jìn)一步分析了恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。通過(guò)與傳統(tǒng)的恒壓供水方式的對(duì)比，做出更加可靠的供水方案，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)恒壓供水方式的可靠性差、自動(dòng)化程度低、控制精度低等缺點(diǎn)。系統(tǒng)主要是采用PLC，變頻器和PID調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行控制，為了降低成本，選擇了內(nèi)置PI調(diào)節(jié)功能的變頻器，這樣即節(jié)約了成本的同時(shí)又使PI調(diào)節(jié)的運(yùn)算更加的簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，也提高了控制質(zhì)

2、量。由于水泵屬于平方性轉(zhuǎn)矩負(fù)載，起動(dòng)比較困難，所以每臺(tái)水泵在起動(dòng)是均采用變頻軟起的起動(dòng)方式，在泵的切換問(wèn)題上有進(jìn)行了具體的分析。各個(gè)元器件的規(guī)格根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，選擇。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，主要是根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序的運(yùn)行流程圖以及具體的一些參數(shù)設(shè)置在文中已經(jīng)給出。文章最后給出了系統(tǒng)的控制程序，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了模擬測(cè)試，已達(dá)到設(shè)計(jì)效果。 關(guān)鍵詞：恒壓供水 變頻調(diào)速 變頻器 PLC PID調(diào)節(jié) 專心-專注-專業(yè)目 錄基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1前言隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自

3、動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理;同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程

4、度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式。在傳統(tǒng)的城市生活用水供水系統(tǒng)中，主要的供水方式是拖動(dòng)水泵的電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而供水需求的變化主要通過(guò)調(diào)節(jié)供水管道上的閥門來(lái)調(diào)節(jié)的供水方式。這種供水方式有以下問(wèn)題:1）浪費(fèi)電能。在一天中的不同時(shí)間段，生活用水的需求量變化比較大。在用水低峰時(shí)，電機(jī)仍然以和用水高峰時(shí)同樣的、恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)了電能。2）水資源的浪費(fèi)。在用水低峰時(shí)，管網(wǎng)壓力較

5、大，由于管道泄漏、公廁用水等造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。3）用水高峰時(shí)，由于管道流量的增大，有可能造成管網(wǎng)壓力不足，而使得高層用戶出現(xiàn)斷水或水壓不足的情況。4）存在水錘效應(yīng)，對(duì)管網(wǎng)的破壞較大。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往供水設(shè)備。它起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1,2,。因此，

6、研究變頻恒壓供水系統(tǒng)的意義在于提供一種經(jīng)濟(jì)，節(jié)能，穩(wěn)定且高品質(zhì)的供水方案。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外展現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高4。隨著

7、變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與

8、別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器(5.5kw22kw) ,無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的

9、循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所5?？梢钥闯?，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。1.3 課題的來(lái)源以及本文要研究的內(nèi)容 1.3.1 課題的來(lái)源 本課題源于日常生活中的生產(chǎn)及高層用戶的用水。傳統(tǒng)

10、的供水方式在用水高峰期時(shí)，樓層高的用戶總是會(huì)出現(xiàn)無(wú)水的現(xiàn)象；低峰期時(shí)，供水壓力又很大形成浪費(fèi)資源。通過(guò)研究恒壓供水來(lái)滿足現(xiàn)代居民用水需求。1.3.2 本課題主要研究的內(nèi)容采用PLC和變頻器結(jié)合的方式，基于PLC控制，由壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)壓力信號(hào)與系統(tǒng)的給定信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)以后控制變頻器的輸出，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，根據(jù)實(shí)際壓力大小自動(dòng)控制投入水泵的臺(tái)數(shù)，在用水量的高峰和低谷都能滿足系統(tǒng)的需要。通過(guò)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線，說(shuō)明恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理；并通過(guò)系統(tǒng)原理圖（或構(gòu)成圖）、控制過(guò)程示意圖、變頻器和PLC接線圖、

11、程序流程圖等形式來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)內(nèi)容。 2變頻恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2.1 恒壓供水的目的對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水流量之間的平衡情況有關(guān): 供水能力用水流量，則壓力上升; 供水能力用水流量，則壓力下降; 供水能力用水流量，則壓力不變。 這里所說(shuō)的供水能力，是指水泵能夠提供的流量，其大小取決于水泵的泵水能力及管道的管阻情況;而用水流量則是用戶實(shí)際使用的流量，取決于用戶。由于在同一個(gè)管道里，流量具有連續(xù)性，并不存在“供水流量”與“

12、用水流量”的差別。因此，供水能力與用水流量之間的差異具體地反映在流體壓力的變化上。 從而，壓力就成為了用來(lái)作為控制流量大小的參變量。保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的6。2.2 供水系統(tǒng)的基本特點(diǎn)2.2.1 供水系統(tǒng)的基本模型 圖2-1是一個(gè)生活小區(qū)供水系統(tǒng)的基本模型。水泵將水池中的水抽出來(lái)，并上揚(yáng)至所需高度，以便向生活小區(qū)供水。2.2.2 供水系統(tǒng)的主要參數(shù)1) 流量 是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度，符號(hào)是Q，常用單位是m3/m

13、in。2) 揚(yáng)程 是單位重量的水被水泵上揚(yáng)時(shí)所獲得的能量，稱為揚(yáng)程。符號(hào)是H，常用單位是m。揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面:a.提高水位所需的能量；b.克服水在管路中的流動(dòng)阻力（管阻）所需的能量；c.使水流具有一定的流速所需的能量。由于在同一個(gè)管路中，上述的b和c是基本不變的，在數(shù)值上又相對(duì)較小?？梢哉J(rèn)為，提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。因此，在同一管路內(nèi)進(jìn)行分析時(shí)，常常簡(jiǎn)略地把水從一個(gè)位置“上揚(yáng)”到另一位置時(shí)水位的變化量（即對(duì)應(yīng)的水位差），用來(lái)代表?yè)P(yáng)程。3) 全揚(yáng)程 也叫總揚(yáng)程，或水泵的揚(yáng)程,是水泵的泵水能力的物理量。包括把水從水池面上揚(yáng)到最高水位的所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需

14、的能量，符號(hào)是。在數(shù)值上等于：在管路沒(méi)有阻力，也不計(jì)流速的情況下，水泵能夠上揚(yáng)水的最大高度，如圖2-1 a)所示。生活小區(qū)實(shí)際揚(yáng)程(m)流量 Q全揚(yáng)程（m）泵水壓力P泵泵水面吸入口水 池?fù)P程損失 水流速度摩擦損失 a） b )圖2-1 供水系統(tǒng)的基本模型a) 全揚(yáng)程的概念 b) 基本模型4) 實(shí)際揚(yáng)程 即通過(guò)水泵實(shí)際提高的水位所需的能量，符號(hào)是。在不計(jì)損失和流速的情況下，其主體部分正比于實(shí)際的最高水位與水池水面之間的水位差，如圖2-1 b)所示。5) 損失揚(yáng)程 全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程，符號(hào)是。、和之間的關(guān)系是： =+ (2-1)6) 管阻 表示管道系統(tǒng)（包括水管、閥門等等）對(duì)水流阻

15、力的物理量，符號(hào)是R 。因?yàn)椴皇浅?shù)，難以簡(jiǎn)單地用公式來(lái)定量地計(jì)算，通常用揚(yáng)程與流量的關(guān)系曲線來(lái)描述，故對(duì)其單位常不提及。7) 壓力 是供水系統(tǒng)中某個(gè)位置（某一點(diǎn)）水壓的物理量，符號(hào)是P 。其大小在靜態(tài)時(shí)主要解決與管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，在動(dòng)態(tài)情況下，則還與供水流離與用水流量之間的平衡情況有關(guān)6。2.3 變頻調(diào)速原理變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定

16、子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為: =1-() (2-2)異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為: =60 (2-3)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為: =60(1- )/ (2-4)其中 為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速;為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;是異步電機(jī)的定子電源頻率;為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速7。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此

17、，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。2.4 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理2.4.1 供水系統(tǒng)的特性與工作點(diǎn)1) 揚(yáng)程特性 以管路中的閥門開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，表明在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間關(guān)系的曲線=，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖2-2中的曲線所示。在供水系統(tǒng)中水泵是供水的“源”，因此，揚(yáng)程特性可以看成是“水源特性”，或者說(shuō)，是“水源”(即水泵)的外特性。用戶用水越多(流量越大)，管道中的磨擦損失也越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。 因此，揚(yáng)程特性反映了用戶的用水狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”，用表示。 0DGHA2) 管阻特性 以水泵

18、的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開(kāi)度下，全揚(yáng)程與流量間關(guān)系的曲線=，稱為管阻特性曲線，如圖2-2中的曲線所示。 圖 2-2 供水系統(tǒng)的基本特性管阻特性是表明由管阻(閥門開(kāi)度)來(lái)控制供水能力的特性曲線。流量大小取決于閥門的開(kāi)度，是由供水側(cè)決定的。故管阻特性的流量，可以認(rèn)為是“供水流量”，用來(lái)表示。 當(dāng)供水流量接近于0時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程(=)。如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也是能夠供水的“基本揚(yáng)程”。3) 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 2-2中之A點(diǎn)。在這一點(diǎn):供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于

19、平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 如閥門開(kāi)度為100%、轉(zhuǎn)速為100% ，則系統(tǒng)處于額定狀態(tài)，這時(shí)的工作點(diǎn)稱為額定工作點(diǎn)，或自然工作點(diǎn)，如圖中之A點(diǎn)即是。 4) 供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比: (2-5)式中，是比例常數(shù)。 由圖 2-2可以看出:供水系統(tǒng)的額定功率與面積ODAG成正比6,8。2.4.2 調(diào)節(jié)流量的方法與供水功率 如上述，在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問(wèn)題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見(jiàn)的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 1) 閥門控制法 即通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變(通常為額定

20、轉(zhuǎn)速)。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)“強(qiáng)行”改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。如圖2-3所示，設(shè)用戶所需流量為額定流量的60%(即60%)，當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性則仍為曲線0轉(zhuǎn)速下降額定轉(zhuǎn)速閥門全開(kāi)閥門關(guān)小揚(yáng)程特性管阻特性EDCBAFGHP 圖 2-3 調(diào)節(jié)流量的方法與比較，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至B點(diǎn)，這時(shí):流量減小為(即);揚(yáng)程增加為;由式(2-5)知，供水功率與面積OEBF成正比。2) 轉(zhuǎn)速控制法 即通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開(kāi)度則保持不變(通常

21、為最大開(kāi)度)。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%為例，當(dāng)通過(guò)降低轉(zhuǎn)速使60%時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線，管阻特性則仍為曲線，故工作點(diǎn)移至C點(diǎn)。這時(shí):流量減小為(即);揚(yáng)程減小為;供水功率與面積OECH成正比。 3) 兩種方法的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法，可以看出:在所需流量小于額定流量(100%的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積HCBF(圖中的陰影部分)成正比。這是變頻

22、調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面9,10。2.4.3 從水泵的工作效率看節(jié)能1) 工作效率的定義 水泵的供水功率與軸功率之比，即為水泵的工作效率，符號(hào)是: (2-6)這里，水泵的軸功率是指水泵軸上的輸入功率(電動(dòng)機(jī)的輸出功率)。而水泵的供水功率是根據(jù)實(shí)際供水的揚(yáng)程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。2) 水泵工作效率的近似計(jì)算公式 據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對(duì)值的近似計(jì)算公式如下： ()-() (2-7)式中，、分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值; 、均為常數(shù)，由制造廠家提供。與之間，通常遵循如下規(guī)律：-=1 3) 不同控制方式時(shí)的工作效率 由式(2-7)可知，當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門來(lái)減小流

23、量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，=1，比值/，可見(jiàn)，隨著流量的減小，水泵工作效率的降低是十分顯著的。 而在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，由于在閥門開(kāi)度不變的情況下，流量和轉(zhuǎn)速是成正比的，比值/不變。采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。 2.4.4 從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于:1) 對(duì)用戶的管路情況無(wú)法預(yù)測(cè);2) 管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算;3) 必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚(yáng)程和額定流量時(shí)，通常余量較大。 所以，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，即使在用水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也

24、常常處于輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開(kāi)而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。 3恒壓供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)3.1 變頻控制恒壓供水控制方式分析 水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即=;：為水泵消耗功率；：為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速；：為比例系數(shù)。而水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及微機(jī)技術(shù)有微機(jī)控制，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備

25、可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%-40%11。目前國(guó)內(nèi)除采用落后繼電接觸器控制方式外，大致還有以下三類： 1) 邏輯電子電路控制方式  這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)有沖擊、抗干擾能力較弱,但成本較低。 2) 單片微機(jī)電路控制方式  這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調(diào)試較麻煩，追加功能時(shí)往往要對(duì)電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。 3

26、) 帶PID回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式  該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。系統(tǒng)自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力，但PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低供水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3.2

27、PID調(diào)節(jié)器的作用 下面以一個(gè)不帶PID調(diào)節(jié)功能的簡(jiǎn)單恒壓供水系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明PID在恒壓供水系統(tǒng)中的作用。恒壓供水系統(tǒng)框圖，如圖 3-1所示。由圖知，變頻器有兩個(gè)控制信號(hào):1) 目標(biāo)信號(hào) 即給定端VRF上得到的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)與壓力的控制目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。目標(biāo)信號(hào)也可以由鍵盤直接給定，而不必通過(guò)外接電路來(lái)給定。 2) 反饋信號(hào) 是壓力變送器RS反饋回來(lái)的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)反映實(shí)際壓力的信號(hào)。 3) 目標(biāo)信號(hào)的確定 目標(biāo)信號(hào)的大小除了和所要求的壓力的控制目標(biāo)有關(guān)外，還和壓力變送器RS的量程有關(guān)。舉例說(shuō)明如下: 設(shè)用戶要求的供水壓力為0.3MPa，壓力變送器RS的量程為(01)M

28、Pa。則:目標(biāo)值應(yīng)設(shè)定為30% 。系統(tǒng)的工作過(guò)程如下： 如管網(wǎng)的壓力P超過(guò)了目標(biāo)值，則>(-)<0 變頻器的輸出頻率電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速管網(wǎng)壓力P直至與所要求的目標(biāo)壓力相符()為止。反泵RSM當(dāng)前值目標(biāo)值UVW5VVRFGNDVPF壓力 P 圖 3-1 恒壓供水系統(tǒng)框圖之，如管網(wǎng)的壓力P低于目標(biāo)值，則<(-)>0變頻器的輸出頻率電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速管網(wǎng)壓力P直至與所要求的目標(biāo)壓力相符()為止。上述工作過(guò)程存在著一個(gè)矛盾：一方面，我們要求管網(wǎng)的實(shí)際壓力應(yīng)無(wú)限接近與目標(biāo)壓力 (-)0；另一方面，變頻器的輸出頻率又是由和相減的結(jié)果來(lái)決定的。如果把(-)直接作為給定信號(hào)的話，系統(tǒng)將是無(wú)法工作的。3

29、.2.1 比例增益環(huán)節(jié)解決上術(shù)矛盾的方法是：將(-)進(jìn)行放大后再做為頻率給定的信號(hào)：=(-) (3-1)式中 為放大倍數(shù)。上述關(guān)系如圖3-2 所示。由于是(-)成正比地放大的結(jié)果，顯然，越大，則：(-)= (3-2)G越小， 越接近于。圖 3-2 比例放大前后各量的關(guān)系和之間總會(huì)有一個(gè)靜差，且只能是無(wú)限接近與，卻不能等于，所以靜差值應(yīng)該越小越好。顯然，比例增益(）越大，靜差越小，如圖3-4 a)所示。在專用的PID調(diào)節(jié)器中，比例增益的大小常常是通過(guò)“比例帶”來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，就是按比例放大的區(qū)域，用P表示（等于），如圖3-3所示。Y0大a)XY0P小P大比例帶b)小X圖3-3 比例與比例帶a）輸入

30、與輸出的比例關(guān)系 b）比例帶的概念由圖知，比例帶（P）月小，相當(dāng)于比例增益（）越大。但在幾乎所有的變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)功能中，都是直接預(yù)置比例增益的。比例增益環(huán)節(jié)的引入，又出現(xiàn)了新的矛盾：為了減小靜差，應(yīng)盡量增大比例增益，但由于系統(tǒng)的慣性，因此，太大了，又容易引起被控量（壓力）忽大忽小，形成振蕩，如圖3-4 b）所示。3.2.2 積分環(huán)節(jié) 引入積分環(huán)節(jié)的目的是：1) 使給定信號(hào)的變化與乘積(-) 對(duì)時(shí)間的積分成正比。盡管(-)一下子增大（或減?。┝嗽S多但只能在“積分時(shí)間”內(nèi)逐漸地增大（或減?。?，從而減緩了的變化速度，防止了振蕩。積分時(shí)間越長(zhǎng)，的變化越慢。小大大小0a) P調(diào)節(jié)0tb) 振蕩t

31、0c) PI調(diào)節(jié)0td) PID調(diào)節(jié)圖3-4 P、I、D的綜合作用示意圖a) P調(diào)節(jié) b) 振蕩現(xiàn)象 c) PI調(diào)節(jié) d) PID調(diào)節(jié)2）只要偏差不消除(-0)，積分就不會(huì)停止，從而能有效地消除偏差，如圖3-4 c)所示。因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)是在比例增益較大時(shí)用于防止振蕩的，故兩者總是同時(shí)應(yīng)用，而稱為PI調(diào)節(jié)。但積分時(shí)間（I）太長(zhǎng)，又會(huì)發(fā)生在被控量積聚變化是，難以迅速恢復(fù)的情況。3.2.3 微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)的作用是：可根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)，提前在短時(shí)間內(nèi)給出較大的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，克服了因積分時(shí)間太長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)，如圖3-4 d)所示。微分環(huán)節(jié)總是和PI同時(shí)使用，稱為PID調(diào)節(jié)12,13

32、。3.3 采用外置PID與變頻器內(nèi)置PID恒壓供水方案的對(duì)比3.3.1 傳統(tǒng)的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備設(shè)計(jì)方案 傳統(tǒng)的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備往往采用圖3-5所示的設(shè)計(jì)方案。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸管網(wǎng)PID調(diào)節(jié)器PLC變頻器M壓力傳感器壓力設(shè)定控制信號(hào)變頻信號(hào)反饋信號(hào)A/D圖3-5 傳統(tǒng)的恒壓供水方案出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控

33、制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào)，造成可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3.3.2 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備的解決方案 針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)外不少生產(chǎn)廠家近年來(lái)紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品，富士公司的G11S/P11S系列及施耐德公司的Altivar 28/31

34、等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多11。圖3-6中傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口AIC、COM，而壓力設(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤以數(shù)字量的形式設(shè)定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入AI1、COM。這樣通過(guò)變頻器的控制面板，在變頻器的PID選項(xiàng)中選擇合適的PID參數(shù)，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正，設(shè)備就可以正常運(yùn)行了。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅

35、降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反PLC壓力傳感器變頻器PID控制信號(hào)變頻信號(hào)壓力設(shè)定管網(wǎng)M圖3-6 新型的恒壓供水方案饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。3.4 恒壓供水設(shè)計(jì)方案的確定 通過(guò)以上供水方案的分析對(duì)比，又由于供水系統(tǒng)要適應(yīng)生活小區(qū)用水、工業(yè)用水以及消防等多種場(chǎng)合的供水，為了系統(tǒng)能夠更加可靠的運(yùn)行工作，實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的，系統(tǒng)采用PLC作為主控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。采用壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的管道水

36、壓信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后傳送給變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將此信號(hào)與給定值進(jìn)行比較后，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算將輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)給變頻器，變頻器根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化來(lái)改變其輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)控制出水量的大小。由于變頻器的輸出頻率在050范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，當(dāng)用水量較小時(shí)，水泵維持低速運(yùn)行；當(dāng)用水量增大致使壓力降低時(shí)，變頻器輸出頻率上升。當(dāng)頻率輸出到上限時(shí),系統(tǒng)判斷是否加泵，自動(dòng)調(diào)節(jié)出口水量，使壓力始終在設(shè)定值附近波動(dòng)并最終達(dá)到設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)了恒壓力供水自動(dòng)控制的目的。3.4.1 系統(tǒng)功能1) 系統(tǒng)采用1控3的方式（也就是說(shuō)用一臺(tái)變頻器輪流控制3臺(tái)水泵），3臺(tái)水泵并聯(lián)進(jìn)行

37、供水，1#、2#泵有變頻有工頻，3#泵只有變頻，且3#泵在變頻狀態(tài)足以滿足供水的需要。加泵減泵時(shí)采用先起先停的原則。2) 系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制模式:在手動(dòng)方式下，由工人根據(jù)壓力表顯示的情況，進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)，并且可以設(shè)定由工頻運(yùn)行還是變頻運(yùn)行手動(dòng)模式；在自動(dòng)方式下，完全根據(jù)壓力設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)起停泵操作。    3) 可以根據(jù)需要，設(shè)定壓力值，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。4) 在供水系統(tǒng)中由于存在水錘效應(yīng)，必須確保每臺(tái)泵的的起動(dòng)為變頻軟起以消除水錘效應(yīng)。5) 具有報(bào)警顯示功能, 系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有故障報(bào)警信號(hào)，確保能夠在第一時(shí)間得到故障信息，及時(shí)處

38、理。同時(shí)設(shè)置各種保護(hù)功能，如液位下限、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、欠壓保護(hù)等。3.4.2 系統(tǒng)的加泵減泵條件分析盡管通用變頻器的頻率都可以在0400范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無(wú)限地增大和減小。水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，最高也只能在50時(shí)進(jìn)行。但變頻器在50下運(yùn)行時(shí)，還不如直接在工頻下運(yùn)行為好，以減少變頻器本身的損失。因此，將上限頻率設(shè)置為49是適宜的。49成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)49時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠

39、再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，只能夠通過(guò)水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就已經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20左右。由于在變頻運(yùn)

40、行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率11,14。4變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)的硬件組成及選擇 通過(guò)對(duì)前一章的方案分析，本設(shè)計(jì)中所用到的主要硬件有：PLC及模擬量模塊，變頻器（內(nèi)置PID調(diào)節(jié)），壓力傳感器，液位傳感器，3臺(tái)水泵及低壓控制設(shè)備等。如圖 5-1結(jié)構(gòu)示意圖所示。變頻器（PID）水泵電機(jī)壓力傳感器控制回路 PLC（A/D）變頻信號(hào)液位信號(hào)故障信號(hào)控制信號(hào)圖5-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖4.1.1 系統(tǒng)的硬件選擇 1) 水泵容量的選擇 選擇水泵時(shí)，需要根據(jù)水泵的流量、供水量、水泵揚(yáng)程及所需壓力來(lái)確定水泵的型號(hào)。一般而

41、言，水泵機(jī)組的額定電流和揚(yáng)程與實(shí)際計(jì)算不會(huì)完全一致。因此，在選擇水泵的容量時(shí)，應(yīng)按略高于計(jì)算值的10%15%來(lái)確定流量與揚(yáng)程10。2) 電動(dòng)機(jī)容量的選擇 電動(dòng)機(jī)的容量可根據(jù)水泵的軸功率來(lái)選擇，具體型號(hào)見(jiàn)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如：某小區(qū)總?cè)藬?shù)為4000人，用水標(biāo)準(zhǔn)按每人200L/d計(jì)（若不考慮消防蓄水量及消防用水），參數(shù)如下：地面距樓頂高度為20.3米，假定管路的水頭損失為3米，則供水壓力為0.6Mpa。日用水量為： =4000×200=800m3/d；最大小時(shí)用水量： =800×2.5/24=83m3/h；其中：最高日用水量 (l/d); 用水單位數(shù)(人·天);用水定額(l/

42、人·日);最大小時(shí)用水量(l/h); 建筑內(nèi)用水時(shí)間;時(shí)變化系數(shù);供水功率的計(jì)算： = 0.8*23.3*1.38= 25.8 kw式中，是比例常數(shù)。系統(tǒng)采用3臺(tái)泵供水，則每臺(tái)水泵的供水功率：=25.8/3*1.1510 kw實(shí)際應(yīng)用中則根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)選擇相同容量水泵即可，所以選擇10 kw容量的水泵。選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)則需要根據(jù)實(shí)際電動(dòng)的的容量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，經(jīng)查閱資料，可以選擇11 kw的Y160M-4型，轉(zhuǎn)速為1450r/min的三相水泵電機(jī)。3) 變頻器的選擇風(fēng)機(jī)類、泵類負(fù)載是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的設(shè)備，變頻器在這類負(fù)載上的應(yīng)用最多。它是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。一般情況下，具有/const控

43、制模式的變頻器基本都能滿足這類負(fù)載的要求。選擇變頻器的容量時(shí)保證其稍大于或等于電動(dòng)機(jī)的容量即可；同時(shí)選擇的變頻器的過(guò)載能力要求也較低，一般達(dá)到120/min即可。但在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)應(yīng)注意，由于負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于電動(dòng)機(jī)的額定頻率時(shí)，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩會(huì)超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)過(guò)載。所以，要嚴(yán)格控制最高工作頻率不能超過(guò)電機(jī)額定頻率。泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，容易發(fā)生水錘效應(yīng)，所以變頻器選型時(shí)，在功能設(shè)定時(shí)要針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定，可以考慮內(nèi)置PID功能的變頻器，由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，省去了對(duì)PID算法的編程，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑穩(wěn)定。

44、比如針對(duì)上述水泵電機(jī)的容量，可以選擇容量11 kw的施耐德Telemecanique ATV31型三相變頻器。它內(nèi)置PI 調(diào)節(jié)器，擁有多種故障保護(hù)能，夠有效地對(duì)電機(jī)和系統(tǒng)實(shí)施全面地保護(hù)，寬電壓輸入，同時(shí)實(shí)際額定值還高于IEC/NEMA的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的最大過(guò)載能力為150額定電流/60s，180額定電流/2s。在使用時(shí)，客戶可以通過(guò)設(shè)置電機(jī)熱保護(hù)(IEH)的范圍對(duì)保護(hù)功能的敏感度進(jìn)行設(shè)置，內(nèi)置多種電機(jī)加減速曲線，保證系統(tǒng)的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)15。 4) PLC的選擇 PLC機(jī)型選擇的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型。通常做法是，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定

45、所需要的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加 10%20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。在工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)合，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC，其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制以及以開(kāi)關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目中，一般其控制速度無(wú)須考慮，因此，選用帶 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求16,17。 本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)，用到了模擬量檢測(cè)變頻器的狀態(tài)。選擇施耐德的Modicom TSX Neza PLC，其 CPU單元：12點(diǎn)輸入 / 8點(diǎn)輸出，最多可通過(guò)3塊12點(diǎn)輸入，8點(diǎn)輸出擴(kuò)展至80點(diǎn)，模擬量擴(kuò)展單元：4路AD ,

46、 2路DA，支持Modbus通訊。 編程：中文化界面，Windows平臺(tái)，梯形圖，指令表編程語(yǔ)言18，允許簡(jiǎn)單編程，語(yǔ)言自然，符合思維習(xí)慣。5) 壓力傳感器的選擇壓力傳感器的輸出信號(hào)是隨壓力而變的電壓或電流信號(hào)。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)取電流信號(hào)，以消除因線路壓降引起的誤差。通常取420mA，以利區(qū)別零信號(hào)和無(wú)信號(hào)(零信號(hào):信號(hào)系統(tǒng)工作正常，信號(hào)值為零;無(wú)信號(hào):信號(hào)系統(tǒng)因斷路或未工作而沒(méi)有信號(hào))。選擇時(shí)還要注意所需壓力的大小來(lái)選擇適當(dāng)量程的壓力表，以免造成浪費(fèi)，否則設(shè)定值的大小也不一樣。供水系統(tǒng)中，管出口的距離總是距控制地較遠(yuǎn)，根據(jù)給出的條件,可以選擇反饋量為420 mA的電流信號(hào)，量程為01Mpa的

47、壓力傳感器做為反饋元件。其他器件的選擇則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇即可。4.1.2 系統(tǒng)主回路原理圖系統(tǒng)是采用PLC來(lái)控制，所以這里只需要考慮系統(tǒng)的主回路的構(gòu)成。如圖5-2所示。L1變頻器M1M2M3KM1FR1KM2KM3KM4FU2FU1QSKM5FR2L2L3UVWU V W圖5-2 系統(tǒng)主回路原理圖4.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PLC控制程序是采用施耐德公司提供的Modicom TSX Neza 可編程控制器PL707WIN編程軟件開(kāi)發(fā)的。該軟件的指令集包含兩種語(yǔ)言，即指令表(STL)語(yǔ)言和梯形圖(LAD)語(yǔ)言18。4.2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)PLC控制程序由自動(dòng)程序和手動(dòng)程序構(gòu)成，系統(tǒng)一般工作在自動(dòng)

48、方式下，手動(dòng)方式是為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和備用。程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò)通訊電纜把程序下載到PLC?？刂迫蝿?wù)的完成，是通過(guò)在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)主程序的運(yùn)行： 系統(tǒng)運(yùn)行主程序首先進(jìn)行初始化工作，并使擴(kuò)展模塊、變頻器等設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)傳輸正常。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)，以防止設(shè)備損壞和意外發(fā)生;當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)顯示并進(jìn)行報(bào)警輸出，方便維修人員維修，有利于系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。無(wú)故障情況下，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)后，進(jìn)行恒壓控制?；竟ぷ鬟^(guò)程如圖5-3程序流程圖所示。 系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中，加減泵是按照前一章所分析的加減泵的條件進(jìn)行的，但在滿足其條件時(shí)還要

49、采用定時(shí)器（TIM）對(duì)其進(jìn)行必要的判斷以免造成泵的頻繁切換。具體過(guò)程為：加泵條件，在變頻器輸出頻率到達(dá)上限，延時(shí)5s進(jìn)行判斷，條件滿足時(shí)切變頻為工頻，同時(shí)下一臺(tái)泵變頻起動(dòng)；條件不滿足時(shí)依然保持原變頻狀態(tài)。減泵條件，在變頻器輸出頻率到達(dá)下限，延時(shí)3s進(jìn)行判斷，條件滿足切除變頻泵，并將工頻泵切為變頻運(yùn)行。系統(tǒng)在手動(dòng)方式下可以任意選擇運(yùn)行狀態(tài)：變頻還是工頻。選擇工頻運(yùn)行時(shí)，考慮到水錘效應(yīng)，總是先通過(guò)變頻起動(dòng)，等到頻率上升到上限時(shí)切段變頻，延時(shí)2s后在轉(zhuǎn)為工頻，以免因時(shí)間過(guò)短對(duì)變頻器造成回流，損壞變頻器。因都需要變頻，所以變頻狀態(tài)下只允許一臺(tái)泵運(yùn)行19。1#工、2#變壓力給定Y<49Hz20HzNYNNY1#工、2#工、3#變壓力給定YN20HzYN開(kāi)始PLC運(yùn)行？報(bào)警？YYNN停止？YN自動(dòng)？Y手動(dòng)1#變頻壓力給定YN<49HzYN停 止結(jié) 束N初始化圖5-3 程序流程圖4.2.2 PLC I/O分配表 表4-1 PLC I/O分配表輸 入注釋輸出注釋I0PLC的運(yùn)行/停止Q0變頻器輸出信號(hào)I1手動(dòng)/自動(dòng) 切換Q1手動(dòng)信號(hào)I2停止Q2自動(dòng)信號(hào)I31#手動(dòng)變頻Q31#變頻信號(hào)I41#手動(dòng)工頻Q41#共頻信號(hào)I52#手動(dòng)變頻Q52#變頻信號(hào)I62#手動(dòng)工頻Q62#共頻信號(hào)I73#手動(dòng)變頻Q73#變頻信號(hào)I8水位下限報(bào)警Q1.0水位下限報(bào)警信號(hào)I9變頻